(57)【要約】【課題】  大気雰囲気に外部電極を露出させずに安定した誘電体バリア放電を行うことが可能な構造を有するエキシマ放電ランプ装置を提供すること。【解決手段】  エキシマ放電を生じるガスを封入した誘電体から成る放電容器と、該放電容器外から給電され該放電容器内に配設される導体とからなるエキシマ放電ユニットが複数近接配置されてなるエキシマ放電ランプと、該エキシマ放電ランプに電圧を印加する点灯装置とからなり、該点灯装置は、隣り合うエキシマ放電ユニットの導体間に接続されていることを特徴とするエキシマ放電ランプ装置とする。【選択図】図２
2005353386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エキシマ放電を生じるガスを封入した誘電体から成る放電容器と、該放電容器外から給電され該放電容器内に配設される導体とからなるエキシマ放電ユニットが複数近接配置されてなるエキシマ放電ランプと、該エキシマ放電ランプに電圧を印加する点灯装置とからなり、
該点灯装置は、隣り合うエキシマ放電ユニットの導体間に接続されていることを特徴とするエキシマ放電ランプ装置。
【請求項２】
前記放電容器は管状であり、前記導体は該放電容器の略中心に沿って配設されていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ放電ランプ装置。
【請求項３】
隣り合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の外径が小さいことを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ装置。
【請求項４】
隣り合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の肉厚が薄いことを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載のエキシマ放電ランプ装置。
【請求項５】
前記導体は放電容器内において誘電体からなる少なくとも片方の端部が開放された管部材内に配設されてなることを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ装置。
【請求項６】
隣合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の肉厚が薄いことを特徴とする請求項５に記載のエキシマ放電ランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘電体バリア放電を行うエキシマ放電ランプ装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、誘電体からなる円筒管の両端部を塞いで放電容器を形成し、その放電容器内部にキセノンなどの希ガスを封入し、誘電体をはさんで放電容器外に配置される一対の電極間に、例えば５０ｋＨｚ程度の高周波電圧を印加して封入空間内で誘電体バリア放電を行うことによりキセノンを一時的にエキシマ状態にし、基底状態にエネルギー準位が下がるときに紫外線を放出させるエキシマ放電ランプが半導体・電子部品の表面洗浄・表面改質などの光源として使用され始めている。
【０００３】
従来のエキシマ放電ランプ装置では、図１４に管軸方向の断面図を示すが、石英ガラス等の誘電体からなる放電容器２１の外部に網構造の金属電極２２が使用されていた。これは放電容器外部に効率よく紫外線を放出するためには網構造の電極が適するとされ採用されたものである。この金属電極２２は例えばニッケル合金であるモネルメタルが、耐熱耐食性が大きいことから使用される。なお、２３は網構造の電極に対向する電極であり、アルミニウム等の金属からなる。７は点灯電源としての高周波電源である。
しかし、放電容器２１である石英ガラスとモネルメタルの膨張率が異なるので、擦れて金属粉末が生じ、エキシマ放電ランプを点灯中に被照射物が下方にある場合、その金属粉末が落下し、コンタミとなる。
【０００４】
また、キセノンを封入したエキシマ放電ランプは１７２ｎｍの真空紫外光を放射する。この真空紫外光は大気雰囲気ではオゾンを発生し、網構造の金属電極が酸化腐蝕してしまう。外部電極が酸化するとインピーダンスの低下、網の開口率の低下を招き、発光効率の低下とともにランプの寿命にも影響するという問題があった。
【０００５】
そこで、エキシマ放電ランプの周囲に窒素で不活性な雰囲気を形成し、また金属のコンタミが被照射物に落下しないように、エキシマ放電ランプは石英ガラス製の照射窓をランプ下方に備えた筐体内に配設され、筐体内は窒素パージされていた。
【０００６】
しかしながら、石英ガラス製の照射窓があると、紫外線が石英ガラスを透過するうちに減衰することが避けられないこと、また、照射窓が破損する恐れがあること、さらには照射窓が高価なものであることなどから、照射窓を取り除いたエキシマ放電ランプ装置が産業界で望まれている。
【０００７】
ところで、照射窓を取り除き、窒素ガスを直接エキシマ放電ランプに吹き付けて、網構造の金属電極が酸化腐蝕をすることもできるが、完全に電極の酸化腐蝕を防止することはできなかった。また、前述の金属コンタミを防ぐことはできなかった。
【特許文献１】特開平6−３１０１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の目的は、大気雰囲気に外部電極を露出させずに安定した誘電体バリア放電を行うことが可能な構造を有するエキシマ放電ランプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、エキシマ放電を生じるガスを封入した誘電体から成る放電容器と、エキシマ放電を生じるガスを封入した誘電体から成る放電容器と、該放電容器外から給電され該放電容器内に配設される導体とからなるエキシマ放電ユニットが複数近接配置されてなるエキシマ放電ランプと、該エキシマ放電ランプに電圧を印加する点灯装置とからなり、該点灯装置は、隣り合うエキシマ放電ユニットの導体間に接続されていることを特徴とするエキシマ放電ランプ装置とするものである。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記放電容器は管状であり、前記導体は該放電容器の略中心に沿って配設されていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ放電ランプ装置とするものである。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、隣り合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の外径が小さいことを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ装置とするものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、隣り合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の肉厚が薄いことを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載のエキシマ放電ランプ装置とするものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記導体が放電容器内において誘電体からなる少なくとも片方の端部が開放された管部材内に配設されてなることを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ装置とするものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、隣合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の肉厚が薄いことを特徴とする請求項５に記載のエキシマ放電ランプ装置とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、処理空間（雰囲気）中に外部金属電極を必要とせずに安定した誘電体バリア放電が可能となる。本発明によれば、放電容器の外部に配設した電極の酸化等によるランプの寿命低下の生じないエキシマ放電ランプ装置とすることができる。
【００１６】
本発明において、エキシマ放電ランプを構成する単位のエキシマ放電ユニットの、ユニット内の導体は放電容器の略中心に沿って配設されると、複数個のエキシマ放電ユニットを並列配置したときに各エキシマ放電ユニットで導体を挟んで略均等に放電が生じる。
【００１７】
また、小径の放電容器であるエキシマ放電ユニットとそれより大径で厚肉の放電容器であるエキシマ放電ユニットを組合わせてエキシマ放電ランプを構成すると、放電開始電圧を下げることができる。
【００１８】
また、薄肉厚の放電容器であるエキシマ放電ユニットとそれより大径で厚肉の放電容器であるエキシマ放電ユニットを組合わせてエキシマ放電ランプを構成すると、放電開始電圧を下げることができる。
【００１９】
また、エキシマ放電ユニットの導体が誘電体からなる少なくとも片方の端部が開放された管部材の中に配設されると、放電ユニット内の電界分布が一様になり、放電が安定する。また、本発明によれば、構造が簡単であり低価格のエキシマ放電ランプ装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１、図２には本発明の第一の実施例であるエキシマ放電ランプ装置１００の概略断面図で構成を示す。なお、図１には本発明のエキシマ放電ランプの構成単位であるエキシマ放電ユニット１０を示す。管状の石英ガラス製の放電容器１にキセノンを４０ｋＰａ乃至８０ｋＰａの圧力で封入し、該放電容器１を貫通して導体２が配設された２個のエキシマ放電ユニット１０がアルミナ等の高誘電率の材料からなるスペーサ３をその間に介在させ近接配置され、１つのエキシマ放電ランプ５０を構成している。
【００２１】
ここで、スペーサ３が存在すると、隣接する放電容器１、１´間の間隔を一定に確保できる。放電容器間の間隔は２ｍｍ程度である。放電容器の肉厚は一例をあげれば０．８ｍｍであり、管軸方向の長さは一例をあげれば２０００ｍｍである、放電容器１の封止部４はモリブデン箔５を使用したピンチシールで封止される。
【００２２】
本発明において、各放電容器の間隔は、容器内部の空隙間隔、すなわち導体と放電容器内壁間の間隔と比べて十分に小さいために各放電容器の間隔が構成する外部空隙は放電開始電圧に達しないため、放電容器外部では放電せず、単なる誘電体に相当し、温度上昇に伴いその誘電体に蓄えられる電荷量が変わるため、エキシマ放電空間内の温度上昇による電子量増加によるインピーダンスの変化も抑制することができ、安定した誘電体バリア放電を提供することができる。
【００２３】
導体２は放電容器１内においてはタングステン線などが使われ、放電容器１の封止部４においてはモリブデン箔５の一方の端部にタングステン線を接続し、モリブデン箔５の他方の端部に放電容器外部へ外部リード６として導出されるモリブデン棒が接続される。導体２としては、上述の線状形状のもの以外にも、コイル状又は板状でもよく、金属としては、タングステンのほかにステンレス、ニッケル合金、モネルメタル、銅、モリブデン、などが適する。また、同一放電容器内に導体は複数本あってもいい。
【００２４】
なお、放電容器は円筒形状に限られるものではなく、管軸に垂直な断面が四角形状やその他の多角形状であってもいい。材質としては、成形加工性や紫外線の透過特性から石英ガラス、特に合成石英ガラスが好ましいが、単結晶アルミナであるサファイアや多結晶アルミナであってもよい。図2のエキシマ放電ランプは、図３に示したが、封止部４からリードを露出させずに封止部４の外部から給電板６ａで封止部４を挟み込み、容量結合にて給電することも可能である。
【００２５】
上記図２の各導体２、２´間に電源７から例えば５０ｋＨｚの高周波の高電圧を印加することにより誘電体バリア放電を行う。図１２に本発明のエキシマ放電ランプ装置の点灯装置７の回路構成を模式図的に示した。点灯装置７はコンバータ部１１とインバータ部１２と昇圧トランス１３とからなり、コンバータ部１１により商用電源（不図示）を直流電源に変換し、インバータ部１２で直流電源を高周波のパルスに変換し、昇圧トランス１３に供給する。該昇圧トランス１３の二次側は中間タップ１４のついた構造になっており、エキシマ放電ランプ５０の放電容器１、１´の表面電位を安定電圧になるよう調整される。
なお、２、２´は放電容器１、１´内にそれぞれ配設された導体である。
【００２６】
図２のエキシマ放電ランプ装置１００においては、印加電圧は周波数２０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚで、５ｋＶｐ−ｐから１５Ｖｐ−ｐであり、放電は誘電体を介して導体２と導体２´間でエキシマ放電を生じる。ここでＶｐ−ｐは、図１３に電圧波形の一例を示すが、電圧波形の最大値（Ｖｍａｘ）と最小値（Ｖｍｉｎ）の幅を意味するものである。
【００２７】
図４は図２のエキシマ放電ランプ装置１００のエキシマ放電ユニットの管軸方向に垂直な方向の概略断面図である。放電容器Ｌ１と放電容器Ｌ２は１．５ｍｍ以下の距離でスペーサ３により離間して配置されている。１．５ｍｍ以下の離間距離とすることで、空隙層が誘電体となり空隙層内でコロナ放電発生することなく放電容器Ｌ１、Ｌ２内での放電が生じるのである。それ以上の間隔をあけると放電が起き難くなる。放電容器Ｌ１、Ｌ２のガラス管は肉厚０．８ｍｍ、導体Ａと放電容器Ｌ１の内壁、導体Ｂと放電容器Ｌ２の内壁との距離は９．０ｍｍであり、放電容器Ｌ１、Ｌ２内に８０ｋＰａのキセノンが封入されている。導体はタングステン製であり、電圧波形の最大最小の幅Ｖｐ−ｐで１０ｋＶとなる電圧を導体Ａと導体Ｂの間にかけると、図４のような放電柱Ｈが形成される。
【００２８】
図５に示したように、エキシマ放電ユニット１０を連続的に並べて、最外側は金属筐体１６として、金属筐体１６をアースし、該筐体１６に隣接するエキシマ放電ユニットの導体との間に所定の電位差をつくることで、エキシマ放電ユニットの筐体側空間においても放電し、放電柱Ｈ´が形成される。
【００２９】
図６には、隣り合う一方のエキシマ放電ユニットが他方のエキシマ放電ユニットと比べて放電容器の外径が小さく、かつ放電容器の肉厚が薄い場合の実施形態を管軸に垂直な概略断面図で示す。相対的に大径の放電容器Ｌ３は肉厚が０．８ｍｍであり、小径の放電容器Ｌ４の肉厚は０．４ｍｍである。小径のエキシマ放電ユニットは放電ギャップが短く、肉厚も薄いので電圧波形の最大・最小の幅Ｖｐ−ｐで６ｋＶでエキシマ放電ユニットの放電が開始する。なお、大径の放電容器Ｌ３の内径は１４ｍｍであり、小径の放電容器Ｌ４の内径は６ｍｍである。放電容器Ｌ４では2kV〜４ｋＶで放電が始まり、さらに電圧を上げて4kv〜６ｋＶにすると放電容器Ｌ３での放電が生じる。
【００３０】
また、放電容器Ｌ４を有する小径のエキシマ放電ユニットが放電開始すると、エキシマ放電ユニットから発した紫外線が隣接する大径の放電容器Ｌ３を有するエキシマ放電ユニットに入射し、光電子により放電開始がしやすくなる易放電効果を生じ、大径のエキシマ放電ユニットの放電をしやすくする。
【００３１】
図７は放電容器Ｌ７をもつ小径のエキシマ放電ユニットを放電容器Ｌ５、Ｌ６をもつ大径の２つのエキシマ放電ユニットの間であって、それら２つの大径のエキシマ放電ユニットの中心より下側に配設したものを示す。この配置にして導体Ｉと導体Ｋ間、導体Ｋと導体Ｊ間に電圧を印加すると、放電柱Ｈが斜め下方に向くことで、ランプ下方に被照射物があると放電部分と被照射物の距離を近づけることになり、被照射物に対して高照度の照射ができる。
【００３２】
図８は、導体が放電容器内において誘電体からなる少なくとも片方の端部が開放された管部材８内に配設されている実施形態を示す。図９は管軸方向の断面図を示す。放電容器内に金属の導体が剥き出しであると、導体から熱電子が放出され、局部的に電界集中し、局部的に放電するので管軸方向でみると偏在した放電になることがある。しかし、この図８のように誘電体からなる管部材８、８´を導体Ｍおよび導体Ｎに被せ、管部材８、８´を介して放電させることによって電界分布を一様にでき、放電が安定することが分かった。導体Ｍと管部材８の間、導体Ｎと管部材８´の間にも小さな放電柱ｈが生じている。
【００３３】
図１０は本発明のエキシマ放電ユニット１０の構造の一例を示したものである。図１０（ａ）では、全長４００ｍｍ、肉厚０．８ｍｍの石英ガラスからなる放電容器内に０．１２ｍｍの径のモリブデンやステンレスからなる棒状の導体２が放電容器１の略中心に配設されている。封止端部１７は膨張係数の異なるガラスを繋いだ段継シールがされている。
また、図１０（ｂ）に片側の端部を示したが、導体２は放電容器１内の凹部１ａで片持ちさせ、一方の封止部から導体を導出したものとしてもよい。
【００３４】
図１１は本発明のエキシマ放電ユニット１０の構造の他の例を示したものであり、全長４００ｍｍ、肉厚０．８ｍｍの石英ガラスからなる放電容器１内に０．１２ｍｍの径のモリブデンやステンレスからなるコイル状の導体が略放電容器の中心に配設されている。コイルを保持するためにここでは１００ｍｍ置きにサポータ９を配置している。サポータ９は０．３ｍｍ径の金属線であり、あるいはガラスなどの絶縁体からなる。封止部４はモリブデン箔５を使用したピンチシールがされている。６は外部リードである。
【００３５】
なお、以上の説明において、封入ガスとしてはキセノンを封入したエキシマ放電ランプについて説明をしたが、本発明のエキシマ放電ランプ装置では、並列設置した各エキシマ放電ユニットに封入するエキシマ発光のガスの種類を例えば個々に変えることにより隣接するエキシマ放電ユニットから波長の異なる紫外光を取り出すということも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のエキシマ放電ランプ装置のエキシマ放電ユニットの概略断面図を示す。
【図２】本発明のエキシマ放電ランプ装置の管軸方向の概略断面図を示す。
【図３】本発明のエキシマ放電ランプ装置の、容量結合での給電構造の例を示す。
【図４】本発明のエキシマ放電ランプ装置のエキシマ放電ランプの管軸に垂直な概略断面図を示す。
【図５】本発明のエキシマ放電ランプ装置のエキシマ放電ランプの管軸に垂直な概略断面図を示す。
【図６】本発明のエキシマ放電ランプ装置の他の実施形態のエキシマ放電ランプの管軸に垂直な概略断面図を示す。
【図７】本発明のエキシマ放電ランプ装置の他の実施形態のエキシマ放電ランプの管軸に垂直な概略断面図を示す。
【図８】本発明のエキシマ放電ランプ装置の他の実施形態のエキシマ放電ランプの管軸に垂直な概略断面図を示す。
【図９】本発明のエキシマ放電ランプ装置の他の実施形態のエキシマ放電ランプの管軸方向の概略断面図を示す。
【図１０】本発明に供されるエキシマ放電ユニットの構造の一例を示す。
【図１１】本発明に供されるエキシマ放電ユニットの構造の他の一例を示す。
【図１２】本発明のエキシマ放電ランプ装置の点灯装置の構成を示す。
【図１３】本発明のエキシマ放電ランプ装置の電圧波形の例を示す。
【図１４】従来のエキシマ放電ランプ装置の管軸方向の概略断面図を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１、１´  放電容器
１ａ  凹部
２、２´  導体
３  スペーサ
４  封止部
５  モリブデン箔
６  外部リード
６ａ  給電板
７  点灯装置
８、８´  管部材
９  サポータ
１０エキシマ放電ユニット
１１  コンバータ部
１２  インバータ部
１３  昇圧トランス
１４  中間タップ
１６  金属筐体
１７  封止端部
２１  放電容器
２２  金属電極
５０エキシマ放電ランプ
１００  エキシマ放電ランプ装置
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８  放電容器
Ｈ、Ｈ´、ｈ  放電柱
Ａ  導体
Ｂ  導体
Ｃ  導体
Ｄ  導体
Ｅ  導体
Ｆ  導体
Ｇ  導体
Ｉ  導体
Ｋ  導体
Ｍ  導体
Ｎ  導体
【図１】
2005353386.tif 000003
【図２】
2005353386.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005353386.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005353386.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005353386.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005353386.tif 000013
【図１２】
2005353386.tif 000014
【図１３】
2005353386.tif 000015
【図１４】
2005353386.tif 000016